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革新的なエネルギー貯蔵技術が電気航空や電力系統向け電池の

発展を加速させる可能性

Novel Energy Storage Could Push Batteries for Electric Aviation, Grid Power

https://energy.umd.edu/　　　2025.04.08

　化学・生体分子工学科のChunsheng Wang率いる研究チームは、水性電池電解質の分野で新たなマイルストーンを達成した。彼等は、水性エネルギー貯蔵における長年の技術的障壁を解消する革新的な電解質システムを開発した。

　鉛蓄電池やニッケル水素電池といった現在市販されている水性電池と、最先端の非水性リチウム・イオン電池との間のギャップを埋めると期待されるこの革新的な研究成果は、本日Nature Nanotechnology誌に掲載された。

　「我々は膜を必要としない水性/有機二層電解質を開発し、超親油性イオノフォアを添加することで、水相と有機相間の界面抵抗と混合を低減した。」と、Wang教授の研究室のポスドク研究員であり、本論文の筆頭著者であるXiyue Zhangは述べている。

　水性電解質は、その本質的な安全性と環境への配慮から世界的に注目を集めており、次世代のエネルギー貯蔵の有力な選択肢となっている。しかし、依然として大きな課題が残っている。それは、電気化学的安定領域が狭いことである。この狭い範囲が水系電池の動作電圧を制限し、エネルギー密度と適用範囲を制限している。Wang教授は2015年に、安定範囲を1.23 Vから3.0 Vに向上させた水系塩電解質を発表したが、この改良によっても依然としていくつかの課題が残されている。

　塩水電解液は3.0 Vの安定電圧範囲を持つものの、高エネルギー電池のもう一つの主要構成要素である高エネルギー・リチウム金属またはグラファイト負極との互換性が依然としてない。この電圧の不一致が、水系電池の高エネルギー密度化におけるボトルネックとなっている。

　この課題を克服するため、Zhangと共同研究者は、0.0～4.9 Vという前例のない電圧で動作可能な新たな電解質システムを開発した。この革新により、長年水系電解質の還元電位限界とされてきた1.3 Vを0.0 Vまで引き上げ、真に高エネルギー密度の水系電池への道が開かれた。

　試験中、新しい電解質システムを搭載したチームのモデル電池は、2,000サイクル以上を経ても安定した性能を維持し、卓越した長期耐久性を示した。

　この技術は、電気航空から大規模低炭素送電網蓄電池、さらには海水からリチウム抽出に至るまで、幅広い用途において大きな可能性を秘めている。

　溶媒構造制御が電池性能向上に重要な役割を果たすことを認識し、WangとZhangはAdvanced Materials誌に包括的なレビュー論文を発表した。この論文では、水性電解質設計の基本原理と主要な指標を概説し、現在の科学的課題を分析し、革新的な将来戦略を提案している。

　これらの成果は、水性電解質開発の限界を押し広げるだけでなく、安全かつ高エネルギー密度を実現する次世代エネルギー貯蔵システムの構築に向けた理論的・技術的基盤を提供する。